下丘脑的开创性机器学习技术可以洞察攻击性的本质

您是否曾经在开车时被切断并发现自己发誓并按喇叭?还是结束了漫长的一天工作回到家，猛烈抨击那些没洗碗的人?从微不足道的愤怒到我们在新闻中看到的毁灭性暴力，侵略行为可能难以理解。关于愤怒如何在大脑中运作，研究产生了令人费解的悖论。但加州理工学院的一项新研究开创了下丘脑机器学习研究技术，揭示了关于攻击性本质的意想不到的答案。

下丘脑是一个与许多先天生存行为相关的大脑区域，例如交配、狩猎和战或逃反应。长期以来，科学家们一直认为下丘脑中的神经元在功能上是特定的——也就是说，某些神经元群与某些特定行为相关。这似乎是交配行为的情况，下丘脑内侧视前区 (MPOA) 中的神经元群在受到刺激时会导致雄性小鼠骑上雌性小鼠。当安装行为自然发生时，这些相同的神经元会活跃。合乎逻辑的结论是这些神经元控制着小鼠的生长。

但是当观察下丘脑另一部分 VMHvl中控制攻击性的类似神经元时，研究人员发现了一个不同的故事。可以刺激这些神经元使雄性小鼠攻击另一只雄性小鼠，但当在自然战斗的小鼠中观察到相同的神经元时，它们并没有表现出特定的活动。这个悖论表明在侵略方面发生了一些不同的事情。

现在，加州理工学院的一项新研究提供了对愤怒的独特神经机制的洞察，并表明更具攻击性的性格在老鼠大脑的电路动力学中得到了编纂。该研究于 1 月 5 日发表在《细胞》杂志上，并在大卫·安德森 (David Anderson) 的实验室中进行和 Chrissy Chen 神经科学研究所。这项研究是与 Ann Kennedy 持续合作的一部分，Ann Kennedy 是理论神经科学家，曾在 Anderson 实验室担任博士后研究员，现在是西北大学神经科学助理教授。

该研究的主要作者、加州理工学院研究生 Aditya Nair 应用机器学习模型来分析实验数据并揭示大脑活动中隐藏的模式。

“我们使用机器学习来拟合动态系统模型以记录小鼠的神经数据，”Nair 说。“从本质上讲，动力系统就像计算机中的人造老鼠大脑一样，它反映了我们的实验观察结果。然后我们深入研究了这个模型，以了解这数百个神经元如何相互交流。通过应用降维和其他物理学分析技术，我们终于能够看到导致攻击性的神经信号和计算。”

分析揭示了大脑中的“线吸引子”——一种从复杂神经系统中出现的模式的数学表示。当在能量景观中绘制时，线吸引子形成槽的形状。虽然低谷不是大脑中的物理结构，但它表示动力系统中发生的能量流。

“发现线吸引子是令人兴奋的，因为它首次显示出与攻击性升级的神经相关性，这是具有重要社会意义的关键发现，”Nair 解释道。

当另一只雄性小鼠在实验期间被引入笼子时，小鼠通常会表现出攻击性行为。他们的行为从威胁性展示升级为全面攻击，这是一种滑动轨迹，现在可以用线吸引子动力学来解释。随着神经活动沿着线吸引器槽进行，老鼠的攻击性逐渐增强。槽的形状使大脑可以轻松地调节攻击性——就像一个可以调高或调低的音量刻度盘。如果“音量”太高，动物就会攻击。这种调节可以作为一种进化适应，迫使动物在进行可能致命的战斗之前衡量攻击性的表现并试水。

出乎意料的是，线吸引子的发现也与攻击性的个体差异相关。该研究的动力系统模型表明，生气和攻击速度更快的老鼠有更深的线吸引槽，表明攻击性气质反映在大脑结构中。因为这些实验室老鼠在基因上是相同的，所以这些个体差异一定是由于表观遗传因素造成的，其本质仍有待发现。

尽管已经在大脑皮层或海马体等“高级”大脑区域发现了吸引子动力学，这些区域通常与运动控制和记忆有关，但这项研究是首批使用动力学系统方法来理解大脑深层社会行为的研究之一。

吸引子动力学可以成为其他内部情绪状态背后的驱动力吗?是我们控制了情绪，还是情绪控制了我们?这项研究的发现引发了问题和未来的研究方向，为情绪障碍的治疗药物开发打开了大门，并加深了我们对下丘脑如何编码攻击性的理解。

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